CN102510658A - 一种面向多频天线衬底的h型槽分形uc-ebg结构的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频带共面紧凑型电磁带隙(Uniplanar Compact Electromagnetic Band Gap，UC-EBG)结构的实现方法，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明通过在单元贴片上开H型槽，设计出了一种在小于60GHz的频率范围内实现四个频带的H型槽UC-EBG结构；并且提出通过增大H型槽的槽长w，减小槽宽a，增大介质基底的介电常数ε等方式实现该结构小型化的方法。另外，本发明通过引入H型槽一级分形结构，进一步实现了EBG结构的小型化，并且通过周期单元尺寸缩放因子(Scale Factor，SF)扩大该结构，设计出了一种在小于3GHz的频率范围内实现四个频带的H型槽分形UC-EBG结构。本发明提出的实现方法，解决了EBG结构受尺寸限制难在低频段实现多频带这一难题，为多频带小型化电磁带隙结构的具体设计提供了指导。

Description

一种面向多频天线衬底的H型槽分形UC-EBG结构的实现方法

技术领域

本发明是一种通过在UC-EBG结构周期单元贴片上刻H型槽，并引入一级分形结构，来设计多频带新型电磁带隙结构的实现方法，属于电磁传播与接收的技术领域。

背景技术

1.EBG结构的概念及其带隙形成机制

光子晶体是具有频率带隙的周期性介电材料，最初在光学领域提出，后来拓展到微波、毫米波段被称为微波光子晶体或者电磁带隙，简称EBG结构。EBG结构具有奇异的电磁波传播特性，可以采用金属、介质、铁磁或者铁电物质植入介质材料周期性排列构成，引起人们极大兴趣。

早期人们提出的电磁带隙结构，其带隙产生机理均属于Bragg散射机制，必须满足Bragg条件，即：a＝λ_g/2，其中，a是周期单元尺寸，λ_g是光子晶体带隙频率对应的导波波长。因此，Bragg型微波光子晶体的结构尺寸相对比较大，在实际使用中受到很大限制。1999年，UCLA的D.Siecenpiper设计了一种“蘑菇”型(Mushroom-like)EBG结构(文献1，John D Joannopolous，Robert D Meade，Joshua N Winn.Photonic Crystals-modelingof Flowing of Light.Princeton University Press，1955)，这种结构可以形成等效电感和电容，其频率带隙的产生可以由单元本身的谐振特性引起的，不受Bragg条件的限制，能够很方便地将它应用于集成电路和天线设计当中。同年，Roberto Coccioli等人提出的共面紧凑型电磁带隙结构，即UC-EBG结构(文献2，Roberto Coccioli，Fei-RanYang，Kuang-PingMa，Tatsuo Itoh.Aperture-Coupled Patch Antenna on UC-PBG  Substrate.IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES.47：11(2123-2130)，Nov.1999)，也是基于谐振机制的，与Mushroom-like EBG结构相比，这种结构不需要金属过孔与地板相连，加工工艺相对简单。

本发明提出的EBG结构属于基于谐振机制的UC-EBG结构。

2.EBG结构的带隙特性

本发明是针对EBG结构垂直方向的带隙特性——人工磁导体(Artificial magneticconductor，AMC)特性，即垂直方向入射到EBG结构表面的电磁波，其反射波与入射波的相位差为零，即具有同相反射特性，一般将相位差在±90°之间视为同相反射，且将反射相位曲线上，此相位范围对应的频率范围成为带隙。将此种EBG结构用作天线的反射板，可以减小天线的剖面积，增加天线增益和辐射效率等。

3.EBG结构小型化概念

EBG结构的周期单元大小与其带隙中心频率所对应的波长呈正相关，带隙中心率对应的波长越长，EBG结构单元尺寸就越大。因此，从另一方面来讲，实现EBG结构的小型化可以理解为，在同样尺寸的EBG周期单元内实现更低频率带隙。

本发明正是通过研究各个参数对带隙中心频率往低频移动的特性来实现EBG结构小型化的。

4.EBG结构的应用

EBG结构具有非常诱人的应用前景：(1)将EBG结构引入到微波集成电路中，使得系统小型化、高集成度、高性能成为可能(文献1，Fei-RanYang，Kuang-Ping Ma，YongxiQian，and Tatsuo Itoh.A Uniplanar Compact Photonic-Bandgap(UC-EBG)Structure and ItsApplications for Microwave Circuits.IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE ANDTECHNIQUES，47(8)：1509-1514.1999)；(2)将EBG结构用于微带天线中，可以抑制高次谐波(文献2，Yasushi Horii and Makoto Tsutsumi，Harmonic control by photonic bandgap onmicrostrip patch antenna.IEEE Microwave and Guided Wave Letters.9(1)，January 1999)；(3)将EBG结构用作天线的衬底，对于抑制天线的表面波、提高天线增益与辐射效率具有独特的优点(文献3，Roberto Coccioli，Fei-Ran Yang，Kuang-Ping Ma and Tatsuo Itoh，Aperture-coupled patch antenna on UC-EBG substrate，IEEE Transaction on MicrowaveTheory and Techniques.47(11)：2123-2130，Nov.1999)；(4)EBG结构用做RFID的天线接地面，可以改善天线的性能(文献4，Design of Planar Artificial Magnetic Conductor GroundPlane Using Frequency-Selective Surfaces for Frequencies Below 1GHz.IEEE ANTENNASAND WIRELESS PROPAGATION LETTERS.8：951954.2009)；(5)当前对于移动通信设备天线，小型化和多频带天线的设计成为焦点，现代通讯技术对双频乃至多频的需求，使得双频和多频电磁带隙结构的研究也成为了重点(文献5，Douglas J.Kern，Douglas H.Werner，Agostino Monorchio，Luigi Lanuzza，and Michael J.Wilhelm.The Design Synthesis ofMultiband Artificial Magnetic Conductors Using High Impedance Frequency SelectiveSurfaces.IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION.53(1)：8-17，2005)。

本发明主要是设计多频带小型化的UC-EBG结构

5.国内外关于多频带小型化UC-EBG结构的研究现状

目前，国内外就电磁带隙结构AMC性质对其多频带特性的研究甚少。尤其是针对低频段设计多频带电磁带隙结构的研究几乎没有。由于低频段对应的波长较长，一般EBG结构的单元尺寸较大，限制了其实际应用。因此设计小型化的多频带UC-EBG结构是一大挑战。

本发明通过结合UC-EBG结构的小型化，第一次提出了一种在低频段能产生四个带隙的共面紧凑型带隙结构。

发明内容

为了满足现代通讯技术对双频带乃至多频带的需求以及集成化的趋势，本发明的目的在于提出一种多频带小型化UC-EBG结构的实现方法。

首先，将表面开槽技术引入UC-EBG结构的设计当中，在以相对介电常数为10.2，厚度为25mil的RT/Duroid 6010为介质基底的UC-EBG结构周期单元贴片上开H型槽，如图1所示。设计出了具体参数为a＝100mil，w＝8mii，b＝120mil，在小于60GHZ的频率范围内能实现四个频带的H型槽UC-EBG结构。

其次，提出在H型槽UC-EBG结构周期单元尺寸一定的情况下，可以通过增加H型槽的槽长a，减小槽宽w和增大介质基底的介电常数ε等方法来获得带隙往低频移动的特性，从而实现该结构的小型化。在此基础上进一步提出：由于带隙往低频移动，较高频段的带隙移至较低频段，使得在频率范围一定的情况下，带隙数目增多。因此，本发明提出了可以通过实现带隙往低频移动的方法，进而既实现UC-EBG结构的小型化，又实现UC-EBG结构的多频带特性。

第三，引入H型槽一级分形结构来提高对周期单元贴片空间的利用率，使得带隙往低频移动，设计出了一个结构如图9(a)(b)所示，具体参数为：a＝72mil，w＝6mil，b＝120mil，h＝25mil，ε＝10.2，在小于50GHz频率范围内能实现四个带隙H型槽分形UC-EBG结构。

第四，提出通过周期单元尺寸缩放因子SF将高频段产生多频带的H型槽分形UC-EBG结构缩放到低频段。取SF＝9，设计出了一种结构如图9(a)(b)所示，具体参数为：a＝648mil，w＝54mil，b＝1080mil，h＝200mil，ε＝30，在小于3GHz频率范围内实现四个频带的H型槽分形UC-EBG结构。且四个带隙的中心频率分别为0.729GHz、2.040GHz、2.529GHz和2.800GHz，其-90°至90°带宽分别为17MHz、10MHz、60MHz和19MHz。

与传统方法相比本发明有如下优点：

1.本发明属于UC-EBG结构，可以用标准的单片微波集成电路制造技术实现，H型槽及其分形结构非常简单，加工容易；

2.本发明提出在UC-EBG周期结构单元贴片上开H型槽，为设计多频带小型化UC-EBG结构提供了指导；

3.本发明提出通过实现带隙往低频移动获来得多频带，为设计多频带UC-EBG结构提供了新的思路；

4.本发明引入H型槽分形结构，提高了对单元贴片的利用率，有助于UC-EBG结构小型化的实现；

5.本发明设计出的H型槽分形UC-EBG结构，在小于3GHz频率范围内能实现四个带隙；相比在同样低频情况下产生带隙的传统UC-EBG结构具有更小的尺寸；

6.本发明设计的UC-EBG结构实际可应用与之相应工作频段的多频天线和电路中。

本发明的原理如下：

首先，对UC-EBG结构的周期单元贴片开H型槽，引入多频带。这是将天线设计当中的表面开槽技术引入电磁带隙结构的设计当中，通过表面开槽改变电流路径，在等效电路中相当于引入了级联电感，一方面有助于实现电磁带隙结构的小型化，另一方面可以通过开槽使电磁带隙结构产生多频带。

其次，在H型槽UC-EBG结构周期单元尺寸一定的情况下，增大H型槽的长度a和减小槽宽w来实现带隙往低频移动原理：UC-EBG结构带隙中心频率和等效电容、电感的关系可以定性得由如下表达式进行分析：

$f_0\∝1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}---(*)$

增大H型槽的槽长a，相当于增加了金属贴片单元接触的面积，因此等效电容C增大，导致f₀减小，从而实现低频特性。同样，减小槽宽w，相当于减小了金属贴片之间的距离，也会使得等效电容C增大，因此也将使f₀朝低频方向移动。

第三，增大介质基底的介电常数来实现带隙往低频移动的原理：UC-EBG结构的等效LC电路模型中，C的大小依赖于介质基地的介电常数。介电常数越大，C值就越大，由式(*)易知，f₀将朝低频方向移动。

第四，引入H型槽一级分形结构，可以进一步获得低频特性，这是由于提高了对周期单元贴片空间的利用率，实际上同样是获得了更大的等效电容C，从而实现带隙往低频移动。

第五，通过周期单元缩放因子将在高频段产生带隙的EBG结构缩放到低频段的原理是由EBG结构带隙形成机制决定的：EBG结构的周期单元大小与其带隙中心频率所对应的波长呈正相关，带隙中心率对应的波长越长，EBG结构单元尺寸就越大。因此，只需扩大高频段产生多频带的UC-EBG结构周期单元结构尺寸，便能获得在低频段产生多频带的UC-EBG结构。当然，实际应用当中，有尺寸的限制，不能无限制的扩大结构。

最后，显然基于前面所有的研究，容易得到设计多频带小型化UC-EBG结构的原则为：(1)选择H型槽一级分形UC-EBG结构进行优化；(2)尽可能在尺寸允许范围内选择大的缩放因子，本发明选取SF＝9；(3)一方面尽可能地增大a和减小w，另一方面要尽可能地提高对单元贴片的利用率。(4)在成本允许的范围内，选择介电常数较大的介质。

附图说明

图1(a)是具有6×6个周期单元的H型槽UC-EBG结构示意图，周期单元如图1(b)所示，其中介质基底为相对介电常数为10.2的RT/Duroid 6010，介质厚度为25mil。图1(b)是刻有H型槽UC-EBG结构周期单元贴片，其中H型槽的长度和宽度分别为a和w，周期单元结构尺寸为b。

图2是图1(a)所述结构，当w＝8mil时第一个带隙(反射相位介于-90°和+90°之间的频率范围，称为频率带隙，以下所指带隙的定义均相同)的频移特性随a的变化规律曲线。由图可知随着a增大，带隙往低频移动。

图3是图1(a)所述结构，当w＝8mil时，多频特性随a的变化规律。由图可知a＝100mil时(黑色实线所示)，在小于60GHz的频率范围内，出现三个带隙；当a＝110mil时(红色虚线所示)，也出现三个带隙，但在大约59GHz时，能够看到第四个带隙开始出现。由此图可初步分析出一个规律：由于带隙整体有往低频移动的趋势，将高频段的带隙移至低频段，从而使得低频段的带隙数目增多。

图4是图1(a)所述结构，当a＝110mil时，第一个带隙的频移特性随w的变化规律。由图可知随着w减小，带隙往低频移动。

图5(a)、(b)是图1(a)所述结构，当a＝110mil时，多频特性随w的变化规律。由图5(a)可知，w＝8mil(红色虚线所示)时，在小于60GHz的频率范围内出现的四个带隙相对w＝14mil(黑色实线所示)出现的四个带隙都向低频移动了。并且，w＝8mil时，在接近于60GHz时，第五个带隙开始出现。由此可以预知，进一步减小w，第五个带隙将完全出现，这一点在图5(b)中得到了证实。图5(b)中蓝色实线和紫色虚线分别对应w＝4mil和w＝2mil，紫色虚线所示的五个带隙相对于蓝色实线所示的五个带隙均往低频方向移动了。

图6是图1(a)所述结构，当a＝110mil，w＝14mil时，第一个带隙的频移特性随相对介电常数ε的变化规律。由图可知，随ε增大，带隙往低频移动。

图7(a)(b)是图1(a)所述结构，当a＝110mil和w＝14mil时，多频特性随相对介电常数ε的变化规律。图7(a)中，ε＝9时(黑色实线所示)在小于60GHz频率范围内出现了3个带隙，且相对于ε＝8时出现的3个带隙均往低频移动了；图7(b)中，ε＝15时(紫色虚线所示)在小于60GHz频率范围内出现了4个带隙，且相对于ε＝14(蓝色实线所示)时出现的4个带隙均往低频移动了。

图8是图1(a)所述结构，当a＝110mil，w＝14mil，ε＝10.2时，第一个带隙的频移特性随周期单元缩放因子SF的变化规律。由图可知，随SF增大，带隙越往低频移动。

图9(a)是具有6×6个周期单元的H型槽分形UC-EBG结构示意图，其周期单元贴片结构示意图如图9(b)所示。图9(b)是以图1(b)所示的H型槽为零级分形结构，引入一级分形结构后的单元贴片示意图，其中零级分形H型槽长为a，槽宽为w，一级分形H型槽长为a/2，槽宽仍为w。

图10是H型槽UC-EBG结构和H型槽分形UC-EBG结构在周期单元尺寸b均为120ml，介质基底材料厚度h均为25mil，介质基底材料均为相对介电常数为10.2的RT/Duroid 6010时，带隙特性对比图。由图可知，H型槽分形UC-EBG结构((红色虚线所示)的各个带隙相对于H型槽UC-EBG结构(黑色实线所示)的各个带隙均往低频移动了。

图11是优化H型槽分形UC-EBG结构在小于3GHz频率范围内的带隙特性曲线。该结构的具体参数为：a＝648mil，w＝54mil，b＝1080mil，h＝200mil，ε＝30.四个带隙的中心频率分别为0.729GHz、2.040GHz、2.529GHz和2.800GHz，其-90°至90°带宽分别为17MHz、10MHz、60MHz和19MHz。

具体实施方式

通过下面的具体实施方式以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步：

第一，首先选择在较容易实现多频带的高频段设计UC-EBG结构，具体的实现方法为：将天线设计当中的表面开槽技术，引入到多频带UC-EBG的设计当中。在基于相对介电常数为ε＝10.2，厚度为h＝25mil的RT/Duroid 6010上的周期单元贴片开H型槽如图1(b)所示，称为H型槽UC-EBG结构。初步设定H型槽的长度为a＝100mil，宽度为w＝8mil，周期单元尺寸b＝120mil，在频率低于60GHz以下出现了四个带隙。

第二，分别研究H型槽的长度a、宽度w、介质基底的介电常数ε以及周期单元尺寸缩放因子SF等对带隙频移特性及带隙数目的影响。具体如下：

(1)随a增大，带隙往低频移动，且一定频率范围内带隙数目有增多的趋势：当ε＝10.2，h＝25mil，b＝120mil，w＝8mil时，改变a的大小。如图2所示，随着a增大，第一个带隙往低频移动。由图3知，当a增至110mil时，较高频段的一个带隙开始移入较低频段，由于整个周期单元尺寸大小的限制，无法继续再增大a。但是可以初步预测：由于带隙整体有往低频移动的趋势，将高频段的带隙移至低频段，从而使得低频段的带隙数目增多。

(2)随w减小，带隙往低频移动，且一定频率范围内带隙数目有增多的趋势：当ε＝10.2，h＝25mil，b＝120mil，a＝110mil时，改变w的大小。如图4所示，随着w减小，第一个带隙往低频移动。由图5(a)中w＝14mil和w＝8mil时曲线的对比，以及图5(b)中w＝4mil和w＝2mil时曲线的对比，知随w减小，各个带隙均往低频移动。由图5(a)和图(b)整体的对比可知，当w减小达到一定幅度，高频段的带隙移将至低频段，使得低频段的带隙数目增多。这一点也证实了分析a时预测出的规律。

(3)随ε增大，带隙往低频移动，且一定频率范围内带隙数目有增多的趋势：当h＝25mil，b＝120mil，a＝110mil，w＝14mil时，改变ε的大小。如图6所示，随着ε减小，地一个带隙往低频移动。由图7(a)ε＝8和ε＝9时曲线的对比，以及图7(b)ε＝14和ε＝15时曲线的对比，知随ε增大，各个带隙均往低频移动。有图7(a)和图7(b)的整体对比可知，当ε增大达到一定幅度，高频段的带隙移将至低频段，使得低频段的带隙数目增多。这进一步证实了频移特性导致多频特性这一规律。

(4)随SF增大，带隙往低频移动，且一定频率范围内带隙数目有增多的趋势：当ε＝10.2，h＝25mil，b＝120mil，a＝110mil，w＝14mil时，改变SF的大小。如图8所示，可知随着SF增大，第一带隙往低频移动。同样可以预测出随着SF进一步增大，低频段的带隙数目将增加。

第三，根据表面开槽技术理论，在单元贴片上简单的开H型槽还未能充分利用贴片空间，为了提高周期单元贴片的利用率，引入分形结构，称为H型槽分形UC-EBG结构，如图9(a)、(b)所示。可以预测到带隙将进一步往低频方向移动。图10的仿真结果也证实了这一点：图10是H型槽UC-EBG结构和H型槽分形UC-EBG结构在周期单元尺寸b均为120ml，介质基底材料厚度h均为25mil，介质基底材料均为相对介电常数为10.2的RT/Duroid 6010时，带隙特性对比图。由图可知，H型槽分形UC-EBG结构((红色虚线所示)的各个带隙相对于H型槽UC-EBG结构(黑色实线所示)的各个带隙均往低频移动了。

第四，基于前面的研究，易知设计H型槽小型化多频带UC-EBG的原则如下：1、选去对单元贴片空间利用率H型槽分形UC-EBG结构作为周期单元；2、尽可能在尺寸允许范围内选择大的缩放因子；3、一方面尽可能地增大a和减小w；4、在成本允许的范围内，尽可能地选择介电常数较大的介质基底。

第五，本发明的目的是设计出在低频段产生多频带的新型UC-EBG结构，前面的研究都是基于较高频段的，但是设计思路同样适合低频段。更关键的是，可以通过缩放因子SF将高频段UC-EBG结构适当扩大，使其成为在低频段产生多频段的UC-EBG结构。通过对结构如图9(b)所示，具体参数为：a＝72mil，w＝6mil，b＝120mil的H型槽分形UC-EBG结构，取SF＝9周期单元进行扩大。然后再根据前面提出的设计原则对此结构进行优化，最终设计出了一个具体参数为：a＝648mil，w＝54mil，b＝1080mil，h＝200mil，ε＝30，能在小于3GHz频率范围内产生四个带隙的H型槽分形UC-EBG结构，且四个带隙的中心频率分别为0.729GHz、2.040GHz、2.529GHz和2.800GHz，其-90°至90°带宽分别为17MHz、10MHz、60MHz和19MHz。

Claims (5)

1.提出通过在UC-EBG结构周期单元贴片上开H型槽，使其在小于60GHz的频率范围产生多频带的实现方法。其中：该UC-EBG结构以相对介电常数为ε＝10.2，厚度h＝25mil的RT/Duroid 6010(一种陶瓷-聚四氟乙烯复合材料)为介质基底，周期单元尺寸b＝120mil，H型槽的长度和宽度分别为a＝100mil和w＝8mil。

2.如权利要求1所述的H型槽UC-EBG结构，提出在周期单元尺寸一定的情况下，可以通过增加a，减小w或者增大ε等方式来获得带隙往低频移动的特性，实现该H型槽UC-EBG结构小型化的方法。

3.提出在一定频率范围内，可以通过调整参数实现带隙往低频移动，进而获得多频带的实现方法。

4.以权利要求1中所述的H型槽为零级分形结构，提出引入一级分形结构来提高对周期单元贴片空间的利用率，使得带隙往低频移动，进一步实现EBG结构小型化和多频带的方法。设计出了具体参数为：a＝72mil，w＝6mil，b＝120mil，h＝25mil，ε＝10.2，在小于50GHz频率范围内能实现四个带隙的H型槽分形UC-EBG结构。

5.以权利要求3中所述的结构为周期单元，提出通过周期单元尺寸缩放因子SF将高频段产生多频带的H型槽分形UC-EBG结构扩大到低频段。取SF＝9，设计出了具体参数为：a＝648mil，w＝54mil，b＝1080mil，h＝200mil，ε＝30，在小于3GHz频率范围内能实现四个频带的H型槽分形UC-EBG结构。

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